在針對需要高速開關(guān)能力的應(yīng)用場景設(shè)計的高性能電子器件中，采用碳化硅（SiC）材料制造的晶圓表面，其理想狀態(tài)應(yīng)達到原子級別的平滑度，同時確保無任何亞表面損傷。然而，單晶SiC因其卓越的硬度、顯著的脆性特性以及化學惰性，而被業(yè)界公認為加工難度極高的材料之一。
化學機械拋光（CMP）技術(shù)，是半導體制造過程中的一項關(guān)鍵技術(shù)，其工作原理是將晶圓表面暴露在含有磨粒和化學試劑的拋光液中，通過拋光墊與晶圓之間的相對運動，利用化學腐蝕與機械研磨的協(xié)同作用，實現(xiàn)對晶圓表面多余材料的高效去除與全局納米級平坦化。
CMP拋光方式示意圖
目前，傳統(tǒng)的CMP系統(tǒng)多按照集成電路平坦化的需求設(shè)計，較少考慮SiC等超硬新型半導體材料的平坦化。為彌補傳統(tǒng)CMP技術(shù)在以SiC為代表的第三代半導體超硬材料平坦化方面的不足，聚焦集成電路核心裝備CMP核心主業(yè)的北京晶亦精微科技股份有限公司的工程師們在傳統(tǒng)CMP技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜述了幾種平坦化前沿技術(shù)發(fā)展路線。
光輔助化學機械拋光
光輔助化學機械拋光（PCMP，photocatalysis-assisted chemical mechanical polishing）的技術(shù)原理是利用紫外光催化反應(yīng)，在拋光液中添加納米TiO2顆粒，納米TiO2顆粒在紫外光的照射下激發(fā)出電子-空穴對，其中空穴與拋光液中的氧化劑H2O2分子與氫氧根離子(OH-)反應(yīng)，產(chǎn)生氧化性更強的羥基自由基(·OH，氧化還原電位為2.76 eV)，而電子則與拋光液中的H2O2、O2等分子反應(yīng)生成羥基自由基（·OH）與氧自由基（·O2，氧化還原電位為2.07 eV)。
紫外光催化反應(yīng)生成的大量活性自由基與SiC表面反應(yīng)，生成質(zhì)地松散的SiO2氧化層，新生成的SiO2氧化層在研磨顆粒與拋光墊剪切作用下被快速去除并暴露出新的SiC表面，新表面繼續(xù)與光催化反應(yīng)生成的活性自由基反應(yīng)，從而提升SiC的材料去除速率。
PCMP拋光方式示意圖
據(jù)北京晶亦精微的工程師講解，PCMP的關(guān)鍵是盡量充分快速地進行光催化反應(yīng)，并保證光催化反應(yīng)生成的電子-空穴對不要重新復合；其中光催化輔助參數(shù)（光場強度、紫外光波長范圍、催化劑種類、拋光液的酸堿性、拋光液的成分配比等）和化學機械參數(shù)（拋光液流速、拋光運動部件轉(zhuǎn)速、拋光壓力）是影響PCMP拋光工藝效果的重要參數(shù)。
電化學機械拋光
電化學機械拋光（ECMP，Electro-assisted chemical mechanical polishing）是在CMP工藝基礎(chǔ)上結(jié)合電化學陽極氧化基本原理的一種平坦化技術(shù)。
在電化學體系中，拋光頭作為陽極，拋光盤作為陰極，拋光液中添加氫氧化鉀等成分充當電解液，拋光時直流電源施加直流電壓，SiC晶圓通過拋光墊開孔中的填充的拋光液與拋光盤陰極電極板連通形成閉合回路，SiC晶圓在陽極電壓作用下，可激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，空穴能夠與拋光液中的氫氧根離子（OH-）結(jié)合生成具有強氧化性的羥基自由基（·OH），羥基自由基可顯著促進SiC氧化反應(yīng)速率，使其迅速轉(zhuǎn)化為更易去除的二氧化硅（SiO2）。因此，額外施加電壓，利用電化學反應(yīng)機理以及SiC本身半導體性質(zhì)，有機結(jié)合CMP工藝可實現(xiàn)SiC高效氧化和材料去除。
ECMP拋光方式示意圖
據(jù)晶亦精微的工程師介紹，ECMP的關(guān)鍵點在于精確調(diào)控陽極氧化作用與機械磨削之間的動態(tài)平衡。如果陽極氧化速率過快，會導致拋光后的晶圓表面粗糙度增大，而機械磨削作用過大，則會導致SiC材料去除率（MRR）下降，并引入劃傷等缺陷；其中拋光液組份（包括研磨料成分、形態(tài)及粒徑、電解質(zhì)成分、pH值）、電化學參數(shù)（作用電壓、電化學腐蝕電流）、拋光墊物性參數(shù)（拋光墊通孔形狀以及離散形式）和機械參數(shù)（拋光液流速、拋光運動部件轉(zhuǎn)速、拋光壓力）是影響ECMP拋光工藝效果的重要參數(shù)。
超聲輔助化學機械拋光
超聲輔助化學機械拋光（UACMP，ultrasonicvibration assisted chemical mechanical polishing）是在CMP工藝基礎(chǔ)上結(jié)合超聲對拋光液研磨料的分散作用及超聲空化原理的一種平坦化技術(shù)。
CMP拋光液為膠體體系，其研磨料顆粒極易發(fā)生團聚，從而影響拋光效率，并易引入顆粒殘留、劃傷缺陷。超聲輔助化學機械拋光裝置通過在拋光盤或拋光頭上設(shè)置超聲震動裝置，在碳化硅晶圓、拋光液、拋光墊之間傳播超聲動能，使拋光液中的研磨料顆粒產(chǎn)生高頻震動，減少團聚效應(yīng)，避免晶圓劃傷。
在超聲作用下，磨粒顆粒高速運動，沖擊工件表面，使工件表面原子勢能提高，有助于提高工件材料與氧化劑的反應(yīng)速率，加快材料的去除。同時，伴隨著超聲空化作用，拋光液中產(chǎn)生空化氣泡，這些空化氣泡在高頻超聲振動的作用下不斷運動、生長和破滅，沖擊碳化硅晶圓表面，促進材料的去除。
UACMP拋光方式示意圖
ECMP的關(guān)鍵點在于調(diào)控材料去除效率與晶圓表面質(zhì)量之間的動態(tài)平衡，確定最優(yōu)超聲振動參數(shù)（超聲振子安裝位置、數(shù)量、振幅、頻率）。過強的超聲振動作用會造成晶圓表面劃傷，增加晶圓翹曲度與表面粗糙度，影響晶圓面型，嚴重時還會破壞拋光運動系統(tǒng)穩(wěn)定性，提升晶圓碎片風險。
等離子體輔助拋光
等離子體輔助拋光（PAP，plasma-assisted polishing）是在CMP系統(tǒng)中耦合等離子體發(fā)生模塊，在拋光過程中以惰性氣體（如Ar）作為載氣，通過精準調(diào)控O2/H2O等反應(yīng)氣體的離解過程，在射頻激發(fā)下產(chǎn)生富含高活性自由基（·O、·OH、O3等）的等離子體射流沖擊碳化硅晶圓表面，這些處于激發(fā)態(tài)的粒子與碳化硅晶圓表面發(fā)生深度氧化蝕刻反應(yīng)，生成氧化層實現(xiàn)碳化硅材料表面改性，同時通過化學機械拋光對氧化層快速去除，形成“等離子體活化-表面改性-化學機械去除”的閉環(huán)工藝鏈，提升碳化硅晶圓的拋光效率與拋光效果。PAP多采用Face Up的拋光方式，晶圓待拋光面朝上同步實現(xiàn)等離子體改性處理與化學機械磨削。
PAP拋光方式示意圖
PAP的關(guān)鍵點在于通過控制等離子體深度氧化蝕刻反應(yīng)與機械磨削之間的動態(tài)平衡，實現(xiàn)材料去除率的精確調(diào)控與晶圓表面形貌控制，其中等離子體控制參數(shù)（放電功率、拋光等離子體電子密度、工作氣體種類及流量、處理距離、處理時間）與化學機械參數(shù)（拋光液流速、拋光運動部件轉(zhuǎn)速、拋光壓力）是影響PAP拋光工藝效果的重要參數(shù)。
資料來源：劉宜霖等：以SiC為代表的第三代半導體超硬材料平坦化前沿技術(shù)，北京晶亦精微科技股份有限公司
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